《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Construction of Wood-like Structure Biomass Aerogels for High-efficiency Solar-driven Interfacial Evaporators: Enabling Desalination and Purification
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太阳能驱动界面蒸发技术是一种高效低能耗的淡水生产方案，但高效稳定的蒸发器开发仍是挑战。本研究通过一锅法与冰模板生长结合，制备了三维垂直孔隙的CNFs/PVA/CNTs复合生物质气凝胶蒸发器，利用GPTMS增强三维网络稳定性和孔隙亲水性，实现90.43%的蒸发效率，连续12次循环后仍保持1.51 kg·m?2·h?1的蒸发速率，并高效去除有机污染物和重金属离子。
刘万祥|王德冰|朱大海|徐金辉|于伟| Bing娜艺
上海工程技术大学能源与材料学院，上海工程材料应用与评价重点实验室，中国上海201209
摘要
太阳能驱动的界面蒸发技术因其高效、低能耗和环保特性，被视为解决全球淡水短缺危机的潜在可持续方案之一。然而，开发出高效且稳定的界面蒸发器仍然是一个关键挑战。在本研究中，我们通过将木质结构生物气凝胶与竹纤维和聚苯乙烯泡沫结合，设计了一种自浮式太阳能驱动的界面蒸发器，用于高效的海水淡化和净化。通过引入3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）作为多功能交联剂，提出了一种创新的协同制备策略，将一步聚缩合与冰模板诱导生长相结合。该方法成功制备了三维（3D）垂直排列的多孔纤维素纳米纤维/聚乙烯醇/多壁碳纳米管复合生物气凝胶。在该体系中，GPTMS显著增强了气凝胶的3D网络稳定性，同时协同调节了其孔隙的亲水性，从而优化了水传输和蒸发界面的稳定性。垂直多孔的木质结构实现了高效的水传输和光捕获。在模拟的太阳光照（1千瓦·平方米）和3.5%盐度条件下，该气凝胶蒸发器的蒸发速率为1.78千克·平方米·小时，蒸发效率达到90.43%。在实际海水中运行12个周期后，平均蒸发速率为1.51千克·平方米·小时，最高值为1.63千克·平方米·小时。在户外测试中，该气凝胶蒸发器的蒸发速率为0.96千克·平方米·小时。此外，该蒸发器有效去除了有机污染物和重金属离子，在重金属冷凝物中的去除效率达到98%。本研究为高性能生物基太阳能界面蒸发器提供了理论和实践参考。
引言
水资源与食品安全、公共卫生、能源消耗、经济发展和工业活动密切相关[1]，[2]。然而，日益严重的水资源短缺使得探索先进的水处理技术变得迫切[3]，[4]。特别是，开发清洁、稳定、高效且经济的淡水生产技术对于缓解全球淡水短缺至关重要[5]。太阳能驱动的界面蒸发技术作为一种有前景的方法，已被用于将海水、工业废水和市政污水转化为饮用水级淡水[6]，[7]，[8]。该技术通过精确地将光热材料定位在水-气界面来实现局部热管理[9]，[10]，从而将产生的热量集中在蒸发层，而不是在整个水体中散失，最终将热损失降至最低。界面蒸发研究取得了显著进展[11]，[12]。
迄今为止，已经开发了许多基于多孔织物或聚合物膜的两维界面蒸发器。然而，它们的实际应用受到多种限制，包括太阳能利用率低和蒸发表面容易积盐[13]，[14]。随后，三维（3D）多孔气凝胶蒸发器通过其高比表面积和低热导率实现了高效的热局部化，显著减少了热损失[15]，[16]，[17]。它们的多孔结构为水传输和盐离子扩散提供了理想的途径，确保了连续稳定的蒸发过程[18]，[19]。例如，刘等人[20]报告称，3D混合PI/MXene气凝胶表现出优异的亲水性、高光吸收率和增强的光热转换效率。在单太阳光照下，蒸发速率为1.459千克·平方米·小时，蒸发效率为95.6%。张等人[21]报道了一种3D MXene/rGO气凝胶，具有83.28%的高蒸发效率，可用于多功能染料吸附和废水处理。
随着基于气凝胶的蒸发技术的快速发展，更多研究集中在低成本、可再生和环保的3D生物气凝胶上，用于太阳能驱动的界面蒸发[22]。除了上述优势外，具有高比表面积和可调孔结构的生物气凝胶已成为太阳能驱动界面蒸发器的理想材料选择[23]，[24]，[25]。其中，基于纤维素的气凝胶由于其丰富的来源和强大的结构设计性而成为研究热点[26]。最近的研究致力于通过仿生结构设计来优化其性能。例如，模仿树木蒸腾作用的垂直排列通道结构显著增强了毛细水传输能力，同时减轻了盐结晶[27]。同时，受木材启发的各向异性多尺度孔网络促进了高效的水传输和出色的结构强度[28]，[29]。例如，陈等人[30]报道了一种双层多功能太阳能蒸发器，由上层壳聚糖/木质素复合气凝胶（嵌入木质素衍生的多孔碳）和下层亲水性壳聚糖气凝胶组成。这种双层气凝胶在单太阳光照下的蒸发速率为1.717千克·平方米·小时，效率为90.63%。王等人[31]通过冷冻干燥制备了Janus MXene修饰的CNFs气凝胶，带有丝瓜海绵载体。该气凝胶在标准单太阳光照下的蒸发速率为1.40千克·平方米·小时，效率为91.20%。显然，生物气凝胶的层次化多孔结构促进了高效的毛细水传输，而其高孔隙率和低热导率有助于优异的热局部化和增强的蒸发效率[32]。
尽管生物气凝胶蒸发器在界面蒸发方面取得了显著进展，但其实际应用仍受到复杂制造工艺、机械强度不足以及因盐积累导致的性能下降的限制。在高效率和稳定蒸发、坚固的机械性能、抗盐结晶、多功能净化和可再生性之间的平衡仍然是生物气凝胶蒸发器面临的关键挑战。为了解决这些问题，我们在本工作中设计了一种新的协同制备策略，将一步法与冰模板诱导生长相结合，制备了3D垂直排列的多孔纤维素纳米纤维（CNFs）/聚乙烯醇（PVA）/多壁碳纳米管（CNTs）复合生物气凝胶（CCPK）。这种“仿木结构”旨在复制天然木材中的垂直通道，同时实现快速的水传输、高效的光捕获和增强的机械稳定性。在此基础上，我们进一步开发了一种太阳能驱动的自浮式蒸发器。选择竹纤维织物作为水传输通道，主要是因为其天然的优异亲水性和由其微结构提供的坚固的毛细水传输路径，这与气凝胶通道相匹配。此外，竹纤维织物具有广泛的可用性、低成本和可再生性，适合构建可持续的界面蒸发系统[33]。聚苯乙烯泡沫用于为蒸发器提供浮力支撑和热绝缘[34]。该集成系统展示了出色的海水淡化能力和有效去除有机污染物和重金属离子的能力。本研究为高性能太阳能界面蒸发器的开发提供了理论和实践参考。
材料
纤维素纳米纤维（CNFs）购自天津穆静玲生物技术有限公司。多壁碳纳米管（CNTs）来自江苏先锋纳米材料技术有限公司。聚乙烯醇（PVA）（类型1799，醇解度98-99%）和GPTMS均由Aladdin试剂有限公司提供。去离子水来自实验室。海水取自渤海（辽宁省葫芦岛）。CuCl?·2H?O、Ni(NO?)?·6H?O和亚甲蓝三水合物（MB）也来自实验室。
生物气凝胶的微观结构和化学性质分析
图2a-b分别显示了制备的气凝胶在轴向和径向的微观结构。所有气凝胶都表现出径向的蜂窝状孔隙和轴向的通道状孔隙。一系列垂直排列且连续的微通道类似于天然木材中的结构，可以为蒸腾驱动的水传输提供路径。如图2c所示，EDS光谱映射验证了C、O和Si在气凝胶表面均匀存在。
结论
在本研究中，通过使用交联剂GPTMS的一步聚缩合过程，并结合冰模板策略，制备了一种具有垂直排列通道的3D CNTs/CNFs/PVA气凝胶蒸发器。这种仿生的各向异性多孔结构在不同尺度上协同优化了光吸收、水传输和热管理，显著提高了界面蒸发效率。连续的传输通道确保了...
CRediT作者贡献声明
王德冰：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、方法学。刘万祥：撰写——初稿、可视化、方法学、研究、数据管理。徐金辉：可视化、研究。朱大海：可视化、验证、资金获取。Bing娜艺：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念化。于伟：监督、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52300212）、教育部春晖计划（编号HZKY20220094）、上海浦东新区科学技术发展基金（编号PKJ2023-N09、PKJ2023-C04）和杨帆计划（23YF1413600）的支持。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
